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南京南瑞继保电气公司科研团队在柔性直流电网站间协调控制研究方面取得新进展
张北柔直电网工程是世界首个柔性直流电网试验示范工程，但其电力电子设备过载能力相对较弱，且单站容量可达直流电网容量的三分之一。为了保证直流电网的安全稳定运行，南京南瑞继保电气有限公司的科研人员卢宇、姜崇学 等，在2022年第4期《电气技术》上撰文指出，在张北柔直电网工程中配置了站间协调控制主机以实现四站之间的相互配合，确保在各种扰动情况下直流电网潮流和电压处于可控的工作状态，同时在站间协调控制主机中实现柔性直流电网功率传输极限能力的计算，为交直流混联运行时稳控系统切除新能源提供依据。
研究背景
国家电网有限公司建设了张北±500kV柔性直流电网试验示范工程（简称“张北柔直电网工程”），其四端直流电网拓扑结构如图1所示。该工程采用环形电网结构，可靠性高且能够实现多电源供电或多落点供电。张北柔直电网工程能够为未来电网的风、光、储、抽蓄一体化运作、功率互补输送起到非常好的技术指导和示范作用。
图1 四端直流电网拓扑结构
张北柔直电网工程的四端分别为北京站、张北站、康保站和丰宁站，其中北京站为受端，张北站、康保站为直流电网新能源送端，丰宁站与抽蓄电站直接连接，为直流电网功率调节端，四站的额定容量分别为3000MW、3000MW、1500MW、1500MW。
论文所解决的问题及意义
与高压交流电网相比，直流电网的电源特性、运行方式、控制方式等存在较大差异，使高压大容量等级的直流电网发展在系统稳定运行方面面临巨大挑战。张北柔直电网工程的显著特点是直流网络化、交直流混联、新能源孤岛接入、直流侧低惯性弱阻尼。控制保护系统是柔性直流电网的“大脑”，负责柔性直流电网的潮流控制、运行方式、故障保护，保障电网安全、可靠、灵活、经济运行，考虑到张北柔直电网工程作为世界首个柔性直流电网工程，现阶段设备能力相对较弱，电网运行方式复杂，配置上层控制方案，积累经验。本文分析上层控制的主要功能，以及直流上层控制和系统稳控之间的配合关系，并通过仿真进行验证。
论文方法及创新点
本文将双极直流电网控制系统设计为四层结构，即站间协调控制层、双极控制层、极控制层和阀控制层，如图2所示。张北柔直电网工程在北京站和张北站分别配置了一套站间协调控制（SCC）设备，采用主备方式实现多换流站间协调控制。站间协调控制可以对四站进行总的协调，减少系统运行过程中投退换流阀的扰动，降低站间通信的负载率。当失去站间通信时，通过设置在极控制层的不依赖通信的协调控制策略实现换流站的运行。站间协调控制主机实现站间协调控制层的相关控制功能。
图2 双极直流电网控制系统架构
直流控制系统与安稳装置的信号采用光纤通信方式，采用IEC 60044—8协议，交叉连接，其中康保换流站、丰宁换流站内单套稳控装置与柔性直流控保四套极控、两套站控装置均通信。康保站和丰宁站内稳控与直流控制接口如图3所示。
图3 康保、丰宁站内稳控与直流控制接口
北京换流站、康保换流站内单套稳控装置与柔性直流控保四套极控、两套站控、两套站间协调控制主机装置均通信。北京站和张北站内稳控与直流控制接口如图4所示。
图4 北京、张北站内稳控与直流控制接口
基于张北柔直电网工程组建了四端实时数字仿真系统（RTDS）平台，由RTDS实时仿真器与研制的控制保护样机组成闭环仿真系统，控制保护样机通过硬接点或光纤与RTDS连接和通信。
结论
本文介绍了柔性直流电网中控制保护系统的构架设计，详细描述了上层协调控制实现的直流电压协调控制和范围控制及过负荷控制等功能，满足直流电网初期的应用需求；针对直流电网接入新能源孤岛方式，提出了协调控制和稳控系统配合实现直流电网传输功率极限的计算方法和切机策略，兼顾了新能源发电送出要求和直流电网运行稳定要求，本文策略已经在张北柔直电网工程中应用。但是由于协调控制层级的配置对大范围的直流电网建设带来了一定限制，因此有必要继续开展大规模直流电网应用场合下的稳定控制研究。
本文编自2022年第4期《电气技术》，论文第一作者为卢宇，1979年生，硕士，高级工程师，从事直流输电和电力电子设备研发工作。本课题得到了“国家自然科学基金委智能电网联合基金资助项目”的支持。
引用本文
卢宇, 姜崇学, 汪楠楠, 祝万. 柔性直流电网站间协调控制功能及稳控配合研究[J]. 电气技术, 2022, 23(4): 63-69. LU Yu, JIANG Chongxue, WANG Nannan, ZHU Wan. Research on inter-station coordinated control and stability control cooperation in flexible DC grid. Electrical Engineering, 2022, 23(4): 63-69.
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